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Conversores Digital-Analógico (DAC), Analógico-Digital (ADC) Explicados

UMA conversor digital para analógico (DAC, D/A, D2Aou D-para-A) é um circuito projetado para converter um sinal de entrada digital em um sinal de saída analógico. O conversor analógico-digital (ADC) funciona de forma oposta e transforma um sinal de entrada analógica em uma saída digital.

Neste artigo, discutimos de forma abrangente como funcionam os circuitos conversores digital para analógico e analógico para digital, usando diagramas e fórmulas.

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Na eletrônica podemos encontrar tensões e correntes variando continuamente com diferentes faixas e magnitudes.

Em circuitos digitais, o sinal de tensão está em duas formas, como níveis lógicos altos ou lógicos baixos, que representam valores binários de 1 ou 0.

Em um conversor analógico para digital (ADC), o sinal analógico de entrada é representado como uma magnitude digital, enquanto um conversor analógico-digital (DAC) converte a magnitude digital de volta para um sinal analógico.

Como funcionam os conversores digital-analógico

O processo de conversão digital para analógico pode ser realizado através de muitas técnicas diferentes.

Um método bem conhecido utiliza uma rede de resistores, conhecida como rede ladder.

Uma rede ladder é projetada para aceitar entradas envolvendo valores binários normalmente em 0 V ou Vref e fornece uma tensão de saída equivalente à magnitude da entrada binária.

A figura abaixo demonstra uma rede ladder usando 4 tensões de entrada, que representam 4 bits de dados digitais e uma saída de tensão CC.

A tensão de saída é proporcional ao valor da entrada digital conforme expresso pela equação:

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REDE ESCADA DAC

Resolvendo o exemplo acima, obtemos a seguinte tensão de saída:

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Como vemos, uma entrada digital de 01102 é convertido para uma saída analógica de 6 V.

O objetivo da rede ladder é alterar as 16 magnitudes binárias potenciais
através de 0000 a 1111 em uma das 16 grandezas de tensão em intervalos de Vreferência/16.

Portanto, pode ser possível processar mais entradas binárias incluindo um maior número de unidades ladder e realizar uma quantização mais alta para cada etapa.

Ou seja, suponha que se usarmos uma rede de escada de 10 degraus, permitirá o uso para aumentar a quantidade de degrau de tensão ou a resolução para Vreferência/210 ou Vreferência/1024. Neste caso, se usarmos uma tensão de referência Vreferência = 10 V geraria tensão de saída em passos de 10 V / 1024, ou em torno de 10 mV.

Assim, adicionar mais número de estágios de escada nos dará uma resolução proporcionalmente maior.

Normalmente, para n número de degraus da escada, isso pode ser representado pela seguinte fórmula:

Vreferência / 2n

Diagrama de Blocos DAC

A figura abaixo mostra o diagrama de blocos de um DAC padrão usando uma rede ladder, referenciada como ladder R-2R. Isso pode ser visto bloqueado entre a fonte de corrente de referência e os interruptores de corrente.

As chaves de corrente são ligadas às chaves binárias, produzindo uma corrente de saída proporcional ao valor binário de entrada.

As entradas binárias alternam as respectivas pernas da escada, permitindo uma corrente de saída que é uma soma ponderada da referência de corrente.

Se necessário, resistores podem ser conectados às saídas para interpretar o resultado como saída analógica.

DAC IC USANDO REDE LADDER R-2R.

Como funcionam os conversores analógico-digitais

Até agora discutimos como converter sinais digitais em analógicos, agora vamos aprender como fazer o oposto, que é converter um sinal analógico em um sinal digital. Isso pode ser implementado através de um método bem conhecido chamado de método de inclinação dupla.

A figura a seguir mostra o diagrama de blocos para o conversor ADC de inclinação dupla padrão.

CONVERSÃO ANALÓGICO-DIGITAL USANDO O MÉTODO DUAL-SLOPE: (A) DIAGRAMA LÓGICO;  (B) FORMA DE ONDA.

Aqui, uma chave eletrônica é empregada para transferir o sinal de entrada analógico desejado para um integrador, também chamado de gerador de rampa. Este gerador de rampa pode estar na forma de um capacitor carregado com uma corrente constante para gerar a rampa linear. Isso produz a conversão digital necessária por meio de um estágio de contador que funciona para intervalos de inclinação positiva e negativa do integrador.

O método pode ser entendido com a seguinte descrição:

A faixa de medição completa do contador decide o intervalo de tempo fixo. Para este intervalo, a tensão analógica de entrada aplicada ao integrador faz com que a tensão de entrada do comparador suba para algum nível positivo.

Referindo-se à seção (b) do diagrama acima, mostra que a tensão do integrador no final do intervalo de tempo fixo é maior do que a tensão de entrada que é maior em magnitude.

Quando o intervalo de tempo fixo termina, a contagem é definida como 0, o que avisa a chave eletrônica para conectar o integrador a um nível de tensão de entrada de referência fixo. Depois disso, a saída do integrador que também é a entrada do capacitor começa a cair a uma taxa constante.

Durante este período, o contador continua avançando, enquanto a saída do integrador continua caindo a uma taxa constante, até ficar abaixo da tensão de referência do comparador. Isso faz com que a saída do comparador mude de estado e aciona o estágio lógico de controle para interromper a contagem.

A magnitude digital armazenada dentro do contador torna-se a saída digital do conversor.

O uso de um relógio comum e estágio integrador durante os intervalos de inclinação positiva e negativa adiciona algum tipo de compensação para controlar o desvio da frequência do relógio e o limite de precisão do integrador.

Pode ser possível dimensionar a saída do contador conforme a preferência do usuário, configurando adequadamente o valor de entrada de referência e a taxa de clock. Podemos ter o contador como binário, BCD ou em outro formato digital, se necessário.

Usando a rede Ladder

O método de rede ladder usando estágios de contador e comparador é outra maneira ideal de implementar a conversão analógico-digital. Neste método, um contador inicia a contagem do zero, que aciona uma rede em escada, gerando uma tensão de incremento escalonado, semelhante a uma escada (veja a figura abaixo).

PROCESSO DE CONVERSÃO ANALÓGICO-DIGITAL USANDO REDE LADDER: (A) DIAGRAMA LÓGICO;  (B) DIAGRAMA DE FORMA DE ONDA.

O processo permite que a tensão aumente a cada etapa de contagem.

Um comparador monitora essa tensão crescente em escada e a compara com a tensão de entrada analógica. Assim que o comparador detecta a tensão escada acima da entrada analógica, sua saída avisa para parar a contagem.

O valor do contador neste ponto torna-se o equivalente digital do sinal analógico.

O nível de mudança na tensão gerada pelos degraus do sinal de escada é determinado pela quantidade de bits de contagem usados.

Por exemplo, um contador de 12 estágios usando referência de 10 V operará uma rede ladder de 10 estágios com tensões de passo de:

Vreferência/212 = 10 V / 4096 = 2,4 mV

Isso criará uma resolução de conversão de 2,4 mV. O tempo necessário para a execução da conversão é determinado pelo clock do contador.

Se a taxa de clock de 1 MHz for usada para operar um contador de 12 estágios, o tempo máximo necessário para a conversão seria:

4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms

O menor número de conversões que pode ser possível por segundo pode ser encontrado como:

não. de conversões = 1/4,1 ms ≈ 244 conversões/segundo

Fatores que influenciam o processo de conversão

Considerando que algumas conversões podem exigir mais tempo e outras podem exigir um tempo de contagem menor, normalmente um tempo de conversão = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms pode ser um bom valor.

Isso produzirá um número médio de conversões de 2 x 244 = 488.

Taxa de clock mais lenta significaria menos conversões por segundo.

Um conversor trabalhando com menor número de estágios de contagem (baixa resolução) teria uma maior taxa de conversão.

A precisão do conversor é determinada pela precisão do comparador.

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FONTE


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